CN101743052B - 减少燃烧设备废气中的co2排放的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用膜(膜组件)从烟气中分离二氧化碳的方法，其特征在于，该烟气在进入膜分离阶段之前的温度高于水蒸气的冷凝线。由此避免来自烟气的可能夹带的水蒸气的冷凝，并有规律地防止对膜孔的堵塞。该高温可用不同的方法实现。通过前置的热交换器或燃烧器可容易地将烟气温度增加到所需温度。置于膜组件之前的压缩机不仅可产生所需的增温，同时有利地可提高CO2分压。本发明的另一方案是在烟气脱硫前进行CO2分离。其特别的优点是该烟气在此工序中本身仍具有高于水蒸气冷凝线的温度，即不需单独加热，此外在此净化部位通常仅夹带少量水蒸气。

Description

减少燃烧设备废气中的CO2排放的装置和方法
本发明涉及借助于膜来减少燃烧设备废气、特别是能量变换设备的烟气中的CO2排放的方法，此外本发明还涉及适于实施这类方法的装置。
背景技术
增加大气中二氧化碳浓度的最主要的来源之一是用于获取能量的燃烧设备中的化石类载能体的燃烧。因此要力求分离化石类载能体燃烧中产生的CO2，并在分离后进行贮存，以不释放到大气中。该努力的原因是由于温室效应和由此产生的全球变暖。
由各种各样所设想的方法中，目前拟定了三种分离二氧化碳的基本原理，其区别在于在能量变换过程中分离的部位不同。其为在能量变换后的CO2分离、在能量变换前的CO2分离和通过在富氧气氛中的能量变换产生富CO2的烟气。
能量变换后的CO2分离原理作为管终端解决方案的优点是，该CO2分离本身对能量变换装置的可用性仅有小的影响[10]，并可补充装备现有设备。
由于烟气中较高的CO2浓度和较复杂的后接烟气净化，以无烟煤火力发电厂为例来描述现有技术。在相应于现有技术的无烟煤火力发电厂中，烟气在脱氮/除尘和脱硫后从电厂排出。由此依各电厂、燃料和/或燃烧条件不同，最大有15体积％的CO2量进入大气。为分离该CO2，在配置的可能取决于烟气中的SO2含量[1，3，8]的脱硫之后使烟气通过洗涤塔。在塔中该CO2例如被细分散的基于胺的洗涤液所吸收。在第二步中可使该洗涤液进入分离器经加热再生，以使该CO2重新以随后可贮存的浓缩形态放出。该贫CO2的洗涤液可重新用于吸收[2]。
但其缺点在于：
-通过抽取低压蒸汽以再生洗涤液和运行该洗涤装置的电设备降低了电厂的净功率[1，6，7，8]，
-由于洗涤液成分与烟气组分的不可逆反应以及洗涤液的降解和稀释而消耗洗涤液[1，3，5，8]，
-该洗涤液的可能经变化过的成分释放进大气中，并且来自洗涤液处理的还特别要受监控的废物以及分解产物或反应产物均需昂贵去除[1，6]。
此外，为从烟气中分离CO2还已知各种气体分离方法，如用孔径小于1μm的膜[4]。在此方法中于烟气净化后进行CO2分离，这类似于前述的用化学吸附的CO2分离(图1)。
烟气脱硫是该烟气净化的重要组成部分。目前在燃烧固体燃料的大型燃烧设备中的主要烟气脱硫方法是通过用石灰石(CaCO3)的石灰洗涤法进行脱硫，并同时产生石膏(CaSO4·2H2O)[9]。由于该湿式洗涤法，在烟气脱硫装置的出口处的温度约为40-70℃的烟气几乎由水蒸汽所饱和。该温度水平与电厂参数有关。在其它考虑情况下，该烟气温度在脱硫后可认为是50℃。在湿式烟气脱硫后用膜的烟气除碳的装置中，与膜材料相关的膜孔会由于低于水蒸汽的冷凝线而被冷凝水不利地堵塞。
任务和技术方案
本发明的目的是提供一种可简单又经济地减少燃烧设备废气中的CO2排放的方法。此外，本发明还提供一种适于实施前述方法的装置。
本发明的目的通过主权利要求的方法以及通过具有副权利要求的全部特征的装置实现的。有利的实施方案可参阅各自的从属权利要求。
发明内容
本发明涉及各种借助于膜来减少燃烧设备废气、特别是能量变换设备烟气中的CO2排放的方法，此外本发明还涉及适于实施这类方法的装置。
在下面术语燃烧设备意指在其中与来源无关的气态燃料、液态燃料和/或固态燃料经氧化并包括部分氧化以利用其所产生的热能的各种设备，其包括用于处理废物的燃烧设备和共燃烧设备以及电化学氧化设备(如燃料电池)。属此的有例如用天然气、液化气、城市煤气或垃圾气运行的煤气燃烧器、例如用石油、燃料油或醇类运行的油燃烧器和适于块状燃料如富气无烟煤或木块的焙烧炉、流化床炉或粉尘炉。该定义还延伸到所有与此相关的装置和燃烧设备系统。这类设备包括固定式工程装置及移动式工程装置。
烟气即含固态、液态和/或气态空气杂质的载体气体。空气的天然组成的变化称为空气杂质，特别是由于烟、灰、炭黑、粉尘、气体、气溶胶、蒸汽或气味物质引起的组成变化。
本发明的思路是基于使烟气的环境参数最佳化以适于用膜分离CO2(脱碳法)，以致可避免由冷凝水对膜孔产生的不利堵塞。为此特别提供三种不同方案。
在第一种方案中，将CO2分离的工艺步骤(烟气除碳)有利地整合到例如无烟煤火力发电厂已有的烟气净化中，在烟气脱硫之前，但有利的是在除尘之后进行。其优点为，烟气在除尘后的温度约为120-150℃，以致含于其中的水蒸汽处于冷凝线之上的状态。由此无水冷凝出的危险，尤其是经除尘的烟气本身的水蒸汽含量小于脱硫后的水蒸汽含量。除尘后的烟气中水蒸汽含量的总计仅可能是有限的，因为该水含量受所用燃料的水含量和目前的工艺控制影响。通过用石灰石洗涤法对烟气湿脱硫，每减少1kg的SO2向烟气中引入如约15kg的水[9]，以致该水蒸汽浓度可为如10体积％。
本发明的第二方案是，烟气脱碳如在现有技术中一样在完全烟气净化后进行。但不同的是，为防止水冷凝首先对烟气加热，以使其明显低于水蒸汽的冷凝线。该加热可有利地通过外热导入或热交换器实现。
该做法可作为独立方案进行或也可在前述方案不再可能时进行。例如当膜组件定位于烟气除尘和烟气脱硫之间情况下，该膜材料受在经脱氮和除尘的烟气中所含的残余粉尘和气态杂质的不可修复的损害时是需要的。
该第二方案可特别简单地实现，因为仅需在已知的工艺步骤即烟气脱硫和烟气脱碳之间的管道中配置传热器或热交换器，而该工艺步骤的排列在总体上可保持不变。
在类似于第二方案的另一方案中，拟用压力升高代替温度升高。这也意味该烟气脱碳配置在湿式烟气脱硫之后。当然中间连接的压缩机首先使湿烟气经压缩，这时温度也必然升高。此方案的另一有利的副效应是在净化过的烟气中的CO2分压也有利地得以增加，这对接着的CO2分离是特别有利的。该压缩至少达到超过由此经加热的水蒸汽的冷凝点的压力。
与本发明的特定方案无关，在所有情况下，如果用于分离CO2的膜组件不仅呈单级而且呈多级结构均是有利的。通过配置多个可能也是不同的膜分离级一方面可达尽可能高的分离度，另一方面也可使分离出的成分(在此情况下为CO2)达尽可能高的纯度，同时有尽可能低的能耗，即尽可能高的净效率。
具体实施例
下面以实施例详述本发明，但不由此而限制保护范围。本专业技术人员可将这些或其它类似的变化方案视为本发明范畴。
图中的椭圆意指介质：
A  燃料
B  粗烟气
C  净化过的烟气，其中不同为：
C1 脱氮过的烟气，
C2 脱氮过的和除尘过的烟气，和
C3 脱氮过的、除尘过的和脱硫过的烟气
D  纯烟气＝脱氮过的、除尘过的、脱硫过的和脱碳过的烟气，
E  电
矩形框表示各工艺步骤：
1  发电
2  烟气净化，目前包括：
2a 脱氮，
2b 除尘，和
2c 脱硫
3  经膜组件进行CO2分离(脱碳)
4  传热
5  增压
图1示出能量变换流程图，此处为按现有技术的具有烟气净化后的CO2分离的能量产生流程图(左侧)。该燃烧固体燃料的和相应于目前现有技术的大型燃烧设备的烟气净化包括以该顺序的脱氮、除尘和脱硫(右侧)。此外，示出烟气净化工艺步骤的图1的右侧还概括示出烟气净化工艺之间的烟气的典型温度分布。
图2示出在烟气除尘后具有整合的烟气脱碳的能量变换流程图，其相应于本发明的第一方案。该实施例可适于例如地烟煤火力发电厂。通过将CO2分离(脱碳)的膜组件定位于烟气除尘和烟气脱硫之间，那里几乎无压力的烟气的温度通常例如约为130℃，这样通常不再会出现在膜孔中的水冷凝问题。
图3示出本发明的第二方案，其中在完全烟气净化后配置有类似于现有技术的烟气脱碳，但不同在于，为防止来自例如50℃时的几乎饱和的烟气的水冷凝，首先加热该烟气，以使明显超过水蒸汽的冷凝线。该加热宜通过热导入或热交换器进行。在此实施例中，几乎无压力的烟气被加热到大于110℃的温度。
该方案适于独立运行，或在前述方案不再可能时运行。例如可能是这种情况，即在膜组件设置在烟气除尘和烟气脱硫之间时，膜材料受在经脱氮和除尘的烟气中所含的残余粉尘和气态杂质的不可修复的损害时运行。
为防止该膜被冷凝的水蒸汽堵塞，要将待净化的含CO2的烟气经再加热到较高温度水平，以使超过水蒸汽的冷凝线。为此提供不同的系统，如通过外部能量的热导入或与未经净化的烟气的热交换。
在本发明的第三方案中，烟气脱碳同样接在烟气净化之后。但这里用中间设置的增压来代替热导入或热交换器。来自烟气净化的烟气的增压由压缩机实现。该压缩至少达到使得超过经由此加热的水蒸汽的冷凝点的压力。
该方案的另一有利的副效应是在净化过的烟气中的CO2分压也得以增加，这对接着的CO2分离是特别有利的。
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Claims (4)

1.用膜从烟气中分离二氧化碳的方法，其中该烟气经过烟气净化，其特征在于，在烟气脱氮或除尘的工艺步骤后、但在进入烟气脱硫工艺步骤前从烟气中分离二氧化碳，且该烟气进入膜组件前具有不被水蒸汽饱和的温度。
2.权利要求1的方法，其中烟气在进入膜组件之前的温度高于110℃。
3.从烟气中分离二氧化碳的装置，其包括用于烟气脱硫的设备以及用于CO2分离的具有膜的膜组件，其特征在于，该膜组件按流向配置在用于烟气脱硫的设备之前。
4.权利要求3的装置，其包括用于烟气脱氮或除尘的设备，其中所述膜组件按流向配置在烟气脱氮或除尘的设备之后。
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